常州轻工职业技术学院 数控机床故障诊断及维护课程授课教案 NO:12 授课日期 授课班级03机电33103机电332 课是 数控机床输入输出(/O腔控制的故障诊断 授课类型 讲授 课时数 教学 目的 重点 难点 教具 挂图 教学过程 教学方法 及 主要教学内容 的运用 时间分配 输入输出(I/O)故障是数控机床运行过程中员常见的故障 这是因为组成输入/输出的各类开关元件长期暴露在外,受到机 械磨损、油气侵蚀等因素的影响,造成开关可靠性下降以至失灵, 引起机床动作障碍。数控机床的输入输出由PLC控制完成,因此 熟悉数控机床中的输入/输出开关元件,明确数控机床PLC控制的 对象及状态信号的表示,有助于输入/输出故障的诊断。 1数控机床PLC的功能 在数控机床中,除了对各坐标轴的位置进行连续控制外,还 需要对诸如主轴正、反转起动和停止、刀库及换刀机械手控制 工件夹紧松开、工作台交换、气液压、冷却和润滑等辅助动作进 行顺序控制。顺序抑制的信息主要是I/O控制,如控制开关、行 程开关、压力开关和温度开关等输入元件,继电器、接触器和电 磁阀等输出元件;同时还包括主轴驱动和进给伺服驱动的使能控 制和机床报警处理等。现代数控机床均采用可编程逻辑控制器 (PLC来完成上述功能,数控机床PLC的形式有两种:一是采用 单独的CPU完成PLC功能,即配有专门的PLC,PLC在CNC外 部,称为外装型PLC:二是采用数控系统与PLC合用一个CPU 的方法,PLC上在CNC内部,称为内装型PLC 11电源配置 PLC、CNC和机床三者之间的信息交换包括如下四部分: 1.11机床至PLC 机床侧的开关量信号通过I/O单元接口输入至PLC中,除 极少数信号外,绝大多数信号的含义及所占用PLC的地址均可由 PLC程序设计者自行定义,如在 SINUMERIK810数控系统中
1 常州轻工职业技术学院 数控机床故障诊断及维护 课 程 授 课 教 案 NO: 12 授课日期 授课班级 03 机电 331 03 机电 332 课题 数控机床输入/输出(I／O)控制的故障诊断 授课类型 讲 授 课时数 教 学 目 的 重 点 难 点 教 具 挂 图 教学过程 及 时间分配 主 要 教 学 内 容 教学方法 的运用 输入/输出(I／O)故障是数控机床运行过程中员常见的故障， 这是因为组成输入/输出 的各类开关元件长期暴露在外，受到机 械磨损、油气侵蚀等因素的影响，造成开关可靠性下降以至失灵， 引起机床动作障碍。数控机床的输入/输出由 PLC 控制完成，因此 熟悉数控机床中的输入/输出开关元件，明确数控机床 PLC 控制的 对象及状态信号的表示，有助于输入／输出故障的诊断。 1 数控机床 PLC 的功能 在数控机床中，除了对各坐标轴的位置进行连续控制外，还 需要对诸如主轴正、反转起动和停止、刀库及换刀机械手控制、 工件夹紧松开、工作台交换、气液压、冷却和润滑等辅助动作进 行顺序控制。顺序抑制的信息主要是 I／O 控制，如控制开关、行 程开关、压力开关和温度开关等输入元件，继电器、接触器和电 磁阀等输出元件；同时还包括主轴驱动和进给伺服驱动的使能控 制和机床报警处理等。现代数控机床均采用可编程逻辑控制器 (PLC)来完成上述功能，数控机床 PLC 的形式有两种：一是采用 单独的 CPU 完成 PLC 功能，即配有专门的 PLC，PLC 在 CNC 外 部，称为外装型 PLC；二是采用数控系统与 PLC 合用一个 CPU 的方法，PLC 上在 CNC 内部，称为内装型 PLC。 1.1 电源配置 PLC、CNC 和机床三者之间的信息交换包括如下四部分： 1.1.1 机床至 PLC 机床侧的开关量信号通过 I／O 单元接口输入至 PLC 中，除 极少数信号外，绝大多数信号的含义及所占用 PLC 的地址均可由 PLC 程序设计者自行定义，如在 SINUMERIK 810 数控系统中
机床侧的某一开关信号通过IO端子板输入至I/O模块中,参阅 图0—1所示。设该开关信号用10.2来定义,在软键功能 DIAGNOSIS的 PLC STATUS状态下,通过观察IB0的第2位 0”或“1”来获知该开关信号是否有效。 112PLC至机床 PLC控制机床的信号通过PLC的开关量输出接口送到机床 侧,所有开关量输出信号的含义及所占用PLC的地址均可由PLC 程序设计者自行定义。如在 SINUMERIK810数控系统中,机床 侧某电磁阀的动作由PLC的输出信号来控制,设该信号用Q1 来定义,该信号通过I/O模块和I/O端子板输出至中间继电器 线圈,继电器的触点又使电磁阀的线圈得电,从而控制电磁阀的 动作。同样,Q1.4信号可在 PLC STATUS状态下,通过观察 QBl的第4位“0”或“1”来获知该输出信号是否有效 1.1.3CNC至PLC CNC送至PLC的信息可由CNC直接送入PLC的寄存器中, 所有CNC送至PLC的信号含义和地址(开关量地址或寄存器地址) 均由CNC厂家确定,PLC编程者只可使用,不可改变和增删。 如数控指令的M、S、T功能,通过CNC译码后直接送人PLC相 应的寄存器中。如在 SINUMERIK810数控系统中,M3指令经 译码后,送人FY27.3寄存器中 11.4PLC至CNC PLC送至CNC的信息也由开关量信号或寄存器完成,所有 PLC送至CNC的信号地址与含义由CNC厂家确定,PLC编程者 只可使用,不可改变相增删。如 SINUMERIK810数控系统中, Q108.5为PLC至CNC的进给使能信号 图6、1为内装式PLC输入输出信息示意图。 系统总线 系统状态 机床操 1/0操作信号」作面板 模块 继电器驱动 CNC 故障信号)强电柜 (PLC) 开关信号及 故障信号 机床侧 使能信号 应答信号及何服驱 故障信号」动装置 图61内装式PLC输人输出信息 2
2 机床侧的某一开关信号通过 I/O 端子板输入至 I／O 模块中，参阅 图 0—1 所示。设该开关信号用 I10.2 来定义，在软键功能 DIAGNOSIS 的 PLC STATUS 状态下，通过观察 IBl0 的第 2 位 “0”或“1”来获知该开关信号是否有效。 1.1.2 PLC 至机床 PLC 控制机床的信号通过 PLC 的开关量输出接口送到机床 侧，所有开关量输出信号的含义及所占用 PLC 的地址均可由 PLC 程序设计者自行定义。如在 SINUMERIK 810 数控系统中，机床 侧某电磁阀的动作由 PLC 的输出信号来控制，设该信号用 Q1．4 来定义，该信号通过 I／O 模块和 I／O 端子板输出至中间继电器 线圈，继电器的触点又使电磁阀的线圈得电，从而控制电磁阀的 动作。同样，Q1．4 信号可在 PLC STATUS 状态下，通过观察 QBl 的第 4 位“0”或“1”来获知该输出信号是否有效。 1.1.3 CNC 至 PLC CNC 送至 PLC 的信息可由 CNC 直接送入 PLC 的寄存器中， 所有CNC送至PLC的信号含义和地址(开关量地址或寄存器地址) 均由 CNC 厂家确定，PLC 编程者只可使用，不可改变和增删。 如数控指令的 M、S、T 功能，通过 CNC 译码后直接送人 PLC 相 应的寄存器中。如在 SINUMERIK 810 数控系统中，M03 指令经 译码后，送人 FY27．3 寄存器中。 1.1.4 PLC 至 CNC PLC 送至 CNC 的信息也由开关量信号或寄存器完成，所有 PLC 送至 CNC 的信号地址与含义由 CNC 厂家确定，PLC 编程者 只可使用，不可改变相增删。如 SINUMERIK 810 数控系统中， Q108．5 为 PLC 至 CNC 的进给使能信号。 图 6、1 为内装式 PLC 输入/输出信息示意图
12数控系统PLC的功能 12.1机床操作面板控制 将机床操作面板上的控制信号直接送入PLC,以控制数控系 统的运行。机床操作面板上各类控制开关的功能详见第四章的第 一节和第二节 122机床外部开关输人信号控制 将机床侧的开关信号送人PLC,经逻辑运算后,输出给控制 对象。这些控制开关包括各类控制开关、行程开关、接近开关 压力开关和温控开关等。 123输出信号控制 PLC输出的信号经强电柜中的继电器、接触器,通过机床侧 的液压或气动电磁阎,对刀库、机械手和回转工作台等装置进行 控制,另外还对冷却来电动机、润滑泵电动机及电磁制动器等进 行控制 124伺服控制 控制主轴和伺服进给驱动装置的位能信号,以满足伺服驱动 的条件,通过驱动装置,驱动主轴电动机、伺服进给电动机和刀 库电动机等。 12.5报警处理控制 PLC收集强电柜、机床测和伺服驱动装置的故障信号,将报 警标志区中的相应报答标志位置位,数控系统便显示报警号及报 警文本以方便故障诊断 1.2.6软盘驱动装置控制 有些数控机床用计算机软盘取代了传统的光电阅读机。通过 控制软盘驱动装置,实现与数控系统进行零件程序、机床参数、 零点偏置和刀具补偿等数据的传输。 127转换控制 有些加工中心的主轴可以立/转换,当进行立卧转换时,PLC 完成下述工作:①切换主轴控制接触器。②通过PLC的内部功能 在线自动修改有关机床数据位。③切换伺服系统进给模块,并切 换用于坐标轴控制的各种开关、按键等 2PLC输入/输出元件 图6-2所示为内装式PLC输入输出元件及连接方式 输入端子板的作用是将机床外部开关的端子连接转换成I/ O模块的针型插座连接,从而使外部控制信号输入至PLC中:同 样,输出端子板的作用是将PLC的输出信号经针型插座转换成外 部执行元件的端子连接。每个接线端子的编号与针型插坐的针脚
3 1.2 数控系统 PLC 的功能 1.2.1 机床操作面板控制 将机床操作面板上的控制信号直接送入 PLC，以控制数控系 统的运行。机床操作面板上各类控制开关的功能详见第四章的第 一节和第二节。 1.2.2 机床外部开关输人信号控制 将机床侧的开关信号送人 PLC，经逻辑运算后，输出给控制 对象。这些控制开关包括各类控制开关、行程开关、接近开关、 压力开关和温控开关等。 1.2.3 输出信号控制 PLC 输出的信号经强电柜中的继电器、接触器，通过机床侧 的液压或气动电磁阎，对刀库、机械手和回转工作台等装置进行 控制，另外还对冷却来电动机、润滑泵电动机及电磁制动器等进 行控制。 1.2.4 伺服控制 控制主轴和伺服进给驱动装置的位能信号，以满足伺服驱动 的条件，通过驱动装置，驱动主轴电动机、伺服进给电动机和刀 库电动机等。 1.2.5 报警处理控制 PLC 收集强电柜、机床测和伺服驱动装置的故障信号，将报 警标志区中的相应报答标志位置位，数控系统便显示报警号及报 警文本以方便故障诊断。 1.2.6 软盘驱动装置控制 有些数控机床用计算机软盘取代了传统的光电阅读机。通过 控制软盘驱动装置，实现与数控系统进行零件程序、机床参数、 零点偏置和刀具补偿等数据的传输。 1.2.7 转换控制 有些加工中心的主轴可以立/卧转换，当进行立/卧转换时，PLC 完成下述工作：①切换主轴控制接触器。②通过 PLC 的内部功能， 在线自动修改有关机床数据位。③切换伺服系统进给模块，并切 换用于坐标轴控制的各种开关、按键等。 2 PLC 输入/输出元件 图 6—2 所示为内装式 PLC 输入/输出元件及连接方式。 输入端子板的作用是将机床外部开关的端子连接转换成 I／ O 模块的针型插座连接，从而使外部控制信号输入至 PLC 中；同 样，输出端子板的作用是将 PLC 的输出信号经针型插座转换成外 部执行元件的端子连接。每个接线端子的编号与针型插坐的针脚
编号相对应,从而使每个输入输出信号在PLC中均有规定的地 输入端子板 控制开关 行程开关 接近开关 压力开关 关 输出端子板 指示灯 中间继电器 电磁制动器等 图6-2内装式PC输入/输出元件及连接方式 输入元件 211控制开关 在数控机床的操作面板上,常见的控制开关有:①用于主轴、 冷却、润滑及换刀等控制的按钮,这些按钮往往内装有信号灯, 般绿色用于起动,红色用于停止。②用于程序保护,钥匙插入 方可旋转换作的旋钮式可锁开关。③用于紧急停止,装有突出蘑 菇形钮帽的红色紧停开关。④用于坐标轴选择、工作方式选择和 倍率选择等,手动旋转操作的转换开关。⑤在数控车床中,用于 控制卡盘夹紧、放松,尾架顶尖前进、后退的脚踏开关等。图6 3a为按钮结构示意图,图6-3b为控制开关图形符号。 /8 图63控制开关 a)控制按钮结构示意图b)控制开关图形符号 1—按钮帽2-复位弹簧3动断触点4一动触点5动合触点 在图6-3a中,常态(末受外力)时,在复位弹簧2作用下, 触点3与桥式动触点4闭合,习惯上称为常闭(动断)触点:静触 点5与桥式动触点4分断,称之为常开(动合)触点。当按下按钮 帽1时,动触点4先和静触点3分断,然后再和静触点5闭合
4 编号相对应，从而使每个输入/输出信号在 PLC 中均有规定的地 址。 2.1 输入元件 2.1.1 控制开关 在数控机床的操作面板上，常见的控制开关有：①用于主轴、 冷却、润滑及换刀等控制的按钮，这些按钮往往内装有信号灯， 一般绿色用于起动，红色用于停止。②用于程序保护，钥匙插入 方可旋转换作的旋钮式可锁开关。③用于紧急停止，装有突出蘑 菇形钮帽的红色紧停开关。④用于坐标轴选择、工作方式选择和 倍率选择等，手动旋转操作的转换开关。⑤在数控车床中，用于 控制卡盘夹紧、放松，尾架顶尖前进、后退的脚踏开关等。图 6 —3a 为按钮结构示意图，图 6—3b 为控制开关图形符号。 在图 6—3a 中，常态(末受外力)时，在复位弹簧 2 作用下，静 触点 3 与桥式动触点 4 闭合，习惯上称为常闭(动断)触点；静触 点 5 与桥式动触点 4 分断，称之为常开(动合)触点。当按下按钮 帽 1 时，动触点 4 先和静触点 3 分断，然后再和静触点 5 闭合
212行程开关 行程开关又称限位开关,它将机械位移转变为电信号,以控制 机械运动。按结构可分为直动式、滚动式和微动式。 211.1直动式行程开关 如图6-4a为直动式行程开关结构简闯,其动作过程与控制 按钮类似,只是用运动部件上的撞块来碰撞行程开关的拉杆,触 点的分合速度取决于撞块移动的速度。这类行程开天在机床上主 要用于坐标轴的限位、减速或执行机构如液压缸、气缸活塞的行 程控制。图6-4b为直动式行程开关推杆的形式,图6-4c为柱塞 式行程开关外形图 柱塞式滚轮柱塞式滚轮杠杆式 c 图64直动式行程开关 a)结构示意图b)推杆形式 c)外形图d)行程开关图形符号 1—推杆2—动断触点 3—动触点4—动合触点 2122滚动式行程开关 如图6-5a为滚动式行程开关结构示意图,图6-5b为外形 图。 在图6-5a中,当滚轮l受到向左的外力作用时,上转臂2 向左下方转动,推杆4向右转动.并压缩右边弹簧12,同时下 面的小滚轮5也很快沿着擒纵件6向右转动,小滚轮滚动又压缩 弹簧11,当滚轮5走过擒纵件6的中点时,盘形弹簧3和弹簧7 都使擒纵件6迅速转动,因而使动触点10迅速地与朽边的静触点 8分开,并与左边的静触点9闭合。这类行程开关在机床上常用 于各类防护门的限位控制
5 2.1.2 行程开关 行程开关又称限位开关，它将机械位移转变为电信号，以控制 机械运动。按结构可分为直动式、滚动式和微动式。 2.1.1.1 直动式行程开关 如图 6—4a 为直动式行程开关结构简闯，其动作过程与控制 按钮类似，只是用运动部件上的撞块来碰撞行程开关的拉杆，触 点的分合速度取决于撞块移动的速度。这类行程开天在机床上主 要用于坐标轴的限位、减速或执行机构如液压缸、气缸活塞的行 程控制。图 6—4b 为直动式行程开关推杆的形式，图 6-4c 为柱塞 式行程开关外形图。 2.1.2.2 滚动式行程开关 如图 6—5a 为滚动式行程开关结构示意图，图 6—5b 为外形 图。 在图 6—5a 中，当滚轮 l 受到向左的外力作用时，上转臂 2 向左下方转动，推杆 4 向右转动．并压缩右边弹簧 12，同时下 面的小滚轮 5 也很快沿着擒纵件 6 向右转动，小滚轮滚动又压缩 弹簧 11，当滚轮 5 走过擒纵件 6 的中点时，盘形弹簧 3 和弹簧 7 都使擒纵件 6 迅速转动，因而使动触点 10 迅速地与朽边的静触点 8 分开，并与左边的静触点 9 闭合。这类行程开关在机床上常用 于各类防护门的限位控制